Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Detektion mehrerer Spektralbereiche eines Lichtstrahls, insbesondere zur Detektion des Lichtstrahls eines Laserscanners im Detektionsstrahlengang eines Konfokalmikroskops.
Vorrichtungen zur gleichzeitigen Detektion mehrerer Spektralbereiche eines Lichtstrahls sind aus der Praxis seit geraumer Zeit bekannt z.B. aus der DE 44 19 940, und zwar unter der Bezeichnung "Multibanddetektor". Dabei handelt es sich um aufwendige optische Anordnungen, die mit zusätzlicher Optik eine Mehrfachfokussierung ermöglichen. Solche Anordnungen erfordern zur spektralen Multibanddetektion einen ganz erheblichen Raum, verursachen demnach eine nicht unbeachtliche Baugröße. Darüber hinaus tritt dort regelmäßig ein Defokussierungseffekt auf, so daß ein zusätzliches Nachfokussieren mit der zusätzlichen Optik ― bezogen auf den jeweiligen Spektralbereich ― erforderlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Detektion mehrerer Spektralbereiche eines Lichtstrahls, insbesondere zur Detektion des Lichtstrahls eines Laserscanners im Detektionsstrahlengang eines Konfokalmikroskops, derart auszugestalten und weiterzubilden, daß bei einfachem Aufbau eine geringe Baugröße realisierbar ist, wobei der im Stand der Technik auftretende Defokussiereffekt weitestgehend vermieden sein soll.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung der gattungsgemäßen Art löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die gleichzeitige Detektion mehrerer Spektralbereiche eines Lichtstrahls dann ohne weiteres möglich ist, wenn man den Lichtstrahl zunächst spektral auffächert und anschließend aus der Dispersionsebene heraus eine Aufspaltung des aufgefächerten Strahls vornimmt. Die Aufspaltung des aufgefächerten Strahls aus der Dispersionsebene heraus erfolgt in erfindungsgemäßer Weise mittels einer besonderen optischen Anordnung, wobei die in Spektralbereiche aufgespalteten Teilstrahlen bzw. die Spektralbereiche selbst detektiert werden, und zwar gleichzeitig. Wesentlich ist hier, daß der eigentlichen Aufspaltung in Spektralbereiche ein Auffächern des Lichtstrahls vorangeht, so daß die Aufspaltung aus der Dispersionsebene heraus am aufgefächerten Strahl stattfinden kann. Eine Mehrfachfokussiertung mit zusätzlicher Optik ist hier jedenfalls nicht erforderlich.
Wie bereits zuvor ausgeführt, sind erfindungsgemäß zwei optische Anordnungen vorgesehen, nämlich einmal zum spektralen Auffächern des Lichtstrahls und ein anderes Mal zum Aufspalten und anschließenden Detektieren. Der Anordnung zum spektralen Auffächern des Lichtstrahls kann ein Pinhole vorgeschaltet sein, auf das der ankommende Lichtstrahl fokussiert ist, wobei das Pinhole einem Laserscanner unmittelbar nachgeschaltet sein kann. Wesentlich ist jedenfalls die Fokussierung des Lichtstrahls auf das im Strahlengang angeordnete Pinhole.
Von dort aus verläuft der divergente Strahl zu der Anordnung zum spektralen Auffächern des Lichtstrahls, wobei diese Anordnung Fokussieroptiken und Dispersionsmittel umfaßt. Die Dispersionsmittel können im Hinblick auf eine besonders einfache Konstruktion als Prisma ausgeführt sein. Vor und nach den Dispersionsmitteln bzw. dem Prisma ist in weiter vorteilhafter Weise jeweils eine Fokussieroptik angeordnet, die wiederum eine Linsenanordnung umfassen kann.
Der von dem Pinhole zum Prisma verlaufende divergente Strahl wird durch die Fokussieroptiken in die später noch zu erläuternde Spalt-/Detektoranordnung fokussiert, von wo aus die Aufspaltung in Spektralbereiche stattfindet.
Insbesondere im Hinblick auf eine geringe Baugröße sind der Anordnung zum Auffächern des Lichtstrahls Reflexionsmittel zur Rückfaltung des aufgefächerten Strahls nachgeordnet, wobei es sich bei den Reflexionsmitteln um eine verspiegelte Fläche bzw. um einen Spiegel handeln kann. Jedenfalls erlaubt die zumindest einmalige Rückfaltung des aufgefächerten Strahls eine geringe Baugröße der gesamten Vorrichtung.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist der Lichtstrahl mittels der Fokussieroptiken in die Spalt-/Detektoranordnung fokussierbar. Diese Spalt-/Detektoranordnung ist demnach im Strahlengang des aufgefächerten Strahls angeordnet und umfaßt Spaltblenden bildende Reflexionsflachen, die den aufgefächerten Strahl einerseits durch Spaltbildung und andererseits durch Reflexion aus der Dispersionsebene heraus in mehrere Teilstrahlen und somit die einzelnen Spektralbereiche auf die entsprechenden Detektoren abbilden. Mit anderen Worten dienen die Spaltblenden zum teilweisen Durchlassen des dort ankommenden Strahls ― entsprechend der Blendenbreite - und anderseits zur R eflexion an den dort vorgesehenen Reflexionsflächen, so daß bereits bei einer Spaltblende und zwei Reflexionsflächen (beidseits je eine R eflexionsfläche zur Bildung der Spaltblende) eine Zerlegung in drei Teilstrahlen und somit in drei Spektralbereiche möglich ist. Diese Aufteilung erfolgt am aufgefächerten Strahl aus dessen Dispersionsebene heraus.
Selbstverständlich kann sowohl der an der Spaltblende durchgelassene Teilstrahl als auch der reflektierte Teilstrahl abermals auf eine Spaltblende auftreffen und dort weiter gemäß voranstehender Erläuterung zerlegt werden. Die Zerlegung in mehrere Teilstrahlen ist somit durch Mehrfachanordnung von Spaltblenden mit entsprechenden Reflexionsflächen möglich.
Die aufgespaltenen Teilstrahlen gelangen unmittelbar zu Detektoren, wobei die Anzahl der Detektoren der Anzahl der Teilstrahlen entspricht.
Für die hier vorgesehenen Spaltblenden ist des weiteren wesentlich, daß sie in etwa im Fokus des aufgefächerten Strahls plaziert bzw. angeordnet sind. Die Reflexionsflächen der Spaltblenden sind als verspiegelte Flächen bzw. Spiegel ausgeführt, wobei sich die verspiegelten Flächen entsprechend dem Trägermaterial beispielsweise aufdampfen lassen.
Hinsichtlich einer konkreten Ausgestaltung der Spaltblenden ist es von Vorteil, wenn die verspiegelte Fläche einer die Spaltblende bildenden Spaltblendebacke zugeordnet ist und wenn die Spaltblendenbacke in ihrer die Spaltblende, den zu reflektierenden Bereich des aufgefächerten Strahls und ggf. den Reflexionswinkel definierenden Position einstellbar bzw. verstellbar oder verschiebbar ist. Somit läßt sich durch Einstellen der Spaltblendenbacke nicht nur der Spektralbereich des durchgelassenen Teilstrahls sowie der reflektierte Teilstrahl festlegen, sondern auch die Richtung, in die die reflektierten Teilstrahlen laufen. Die Anordnung der Detektoren ist somit zumindest in einem gewissen Bereich variabel.
Im Konkreten könnten die Spaltblendenbacken als jeweils kubischer oder beispielsweise auch vierkantiger Stab mit zumindest teilweise verspiegelter Fläche ausgeführt sein. Eine der Flächen dient dann ― zumindest teilweise ― als Reflexionsfläche, wobei es sich dabei um die an den eigentlichen Spalt angrenzende Fläche handelt. Zur Herstellung der Spaltblendenbacke kommt ein Glas-Vollkörper in Frage, der entsprechend dem verwendeten Glastyp bereits eine Totalreflexion an seiner Oberfläche bieten kann. Außerdem läßt sich Glas einfach bearbeiten und verfügt über einen äußerst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so daß eine temperaturabhängige Justage der Anordnung nicht erforderlich ist.
In weiter vorteilhafter Weise sind die Spaltblendenbacken im Sinne eines Schiebers mit drehangetriebener Spindel bzw. mit entsprechendem Gewindegang ausgeführt. Insoweit könnte die Einstellung der Spaltblendenbacken über Aktvatoren erfolgen, die einen Vorschub und ggf. eine Drehung der verspiegelten Fläche der Spaltblendenbacke verursachen. Durch Verstellen der Position der Spaltblendenbacke läßt sich die Spaltbreite und die Breite des reflektierten Strahls und somit der jeweilige Spektralbereich einstellen. Durch Verstellen der Winkelstellung der Spaltblendenbacke und somit des Reflexionswinkels ist eine Justierung auf fest positionierte Detektoren möglich. Bei den Aktvatoren kann es sich um beliebige Handbetätigungen handeln. In vorteilhafter Weise dienen als Aktvatoren Elektromotore, insbesondere Elektromotore mit Feintrieb.
Innerhalb der Spalt-/Detektoranordnung können Maßnahmen zur Unterdrückung von Streulicht vorgesehen sein, so bspw. sogenannte Strahlfallen oder Blenden, wie sie zur Streulichtunterdrückung aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt sind.
Als Detektoren für die unterschiedlichen Spektralbereiche bzw. Farben lassen sich jedwede herkömmliche Detektoren, vorzugsweise Photomultiplier, verwenden. So ist es beispielsweise auch möglich, handelsübliche CCD-Sensoren zu verwenden.
Im Hinblick auf eine kompakte Bauweise der gesamten Vorrichtung ist es von Vorteil, wenn die Anordnung zum spektralen Auffächern des Lichtstrahls und die Spalt-/Detektoranordnung von einem einzigen Chassis getragen werden, welches unmittelbar am Laserscanner montiert bzw. festlegbar ist. Die Spalt/Detektoranordnung mit den dort vorgesehenen Spaltblendenbacken könnte in einem als Einschub handhabbaren Gehäuse angeordnet sein. Der Einschub könnte wiederum zur Einstellung des Einfallswinkels und der Dispersionsebene des aufgefächerten Strahls in seiner Position justierbar sein.
Schließlich ist es auch denkbar, daß das Gehäuse für die Spalt/Detektoranordnung thermisch weitgehend isoliert ist, um nämlich thermische Einflüsse auf die dortige Anordnung wirksam zu vermeiden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur gleichzeitigen Detektion mehrerer Spektralbereiche eines Lichtstrahls 1, wobei es sich hier um eine Vorrichtung zur Detektion des Lichtstrahls 1 eines lediglich schematisch angedeuteten Laserscanners 2 im Detektionsstrahlengang eines in der Figur nicht gezeigten Konfokalmikroskops handelt.
Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung eine Anordnung 3 zum spektralen Auffächern des Lichtstrahls 1 und ein nachfolgend stets als Spalt/Detektoranordnung 4 bezeichnete Anordnung zur Aufspaltung des aufgefächerten Strahls 5 aus der Dispersionsebene 6 heraus in Spektralbereiche 7, 8, 9 und zur anschließenden Detektion der aufgespalteten Spektralbereiche 7, 8, 9 mittels Detektoren 12, 10, 11.
In Fig. 1 ist angedeutet, daß der Anordnung 3 zum spektralen Auffächern des Lichtstrahls 1 ein Pinhole 13 vorgeschaltet ist, auf das der ankommende Lichtstrahl 1 fokussiert ist. Von dort aus verläuft der divergente Lichtstrahl 14 zu einem Prisma 15, wobei vor und nach dem Prisma 15 Fokussieroptiken 16 angeordnet sind. Dort wird der divergente Lichtstrahl 14 in die Spalt/Detektoranordnung 4 fokusiert, wobei dieser zur Rückfaltung des durch das Prisma 15 aufgefächerten Strahls 17 zunächst auf einen Spiegel 18 trifft und von dort in die Spalt-/Detektoranordnung 4 gelangt, und zwar mit entsprechender Fokussierung.
Fig. 1 läßt des weiteren erkennen, daß sowohl die Anordnung 3 zum spektralen Auffächern des Lichtstrahls 1 als auch die Spalt/Detektoranordnung 4 einem Chassis 19 zugeordnet sind, wobei das Chassis 19 unmittelbar am Laserscanner 2 fixiert werden kann. Dies ist insbesondere durch die kompakte Bauweise der gesamten Anordnung möglich.
Die Figuren 2 und 3 zeigen einerseits die prinzipielle Funktionsweise und andererseits die grundsätzliche Anordnung der jeweiligen Bauteile innerhalb der Spalt-/Detektoranordnung 4.
In der Spalt-/Detektoranordnung 4 wird der aufgefächerte Strahl 17 bzw. 5 durch die Spaltblendenbacken 23 und den verspiegelten Flächen 21 in mehrere Teilstrahlen bzw. Spektralbereiche 7, 8, 9 aus der Dispersionsebene 6 heraus zu den Detektoren 10, 11, 12 geleitet. Bei der in Fig. 2 gewählten Darstellung liegt die Dispersionsebene 6 senkrecht zu der Zeichenebene (ihre Projektion ist mit Bezugszeichen 5 gekennzeichnet). Bei der in Fig. 3 gewählten Darstellung liegt die Dispersionsebene 6 in der Zeichenebene.
Bei der Darstellung in Fig. 2 sind sowohl die Detektoren 10, 11, 12 als auch die als Elektromotoren ausgeführten Aktvatoren 22 lediglich schematisch gezeigt. Gleiches gilt für die den Spalt 20 bildende Spaltblendenbacken 23 nebst der verspiegeltenden Flächen 21, die unmittelbar an den Spaltblendenbacken 23 vorgesehen sind.
Fig. 2 zeigt des weiteren eine Vergrößerung eines reflektierten Spektralbereichs 9, wobei die Reflexion an der verspiegelten Stirnseite einer Spaltblendenbacke 23 stattfindet.
Fig. 3 zeigt deutlich, daß Teile des in die Spalt-/Detektoranordnung 4 einlaufenden, spektral aufgefächerten Strahls 5 an den verspiegelten Flächen 21 nach oben und nach unten zu den Detektoren 10, 11 abgelenkt werden. Ein weiterer Teilstrahl bzw. Spektralbereich 7 passiert den Spalt 20 und gelangt zum Detektor 12.
Die Aktvatoren 22 ermöglichen eine Einstellung des Spalts 20 zwischen den Spaltblendenbacken 23, wodurch eine individuelle Einstellung der Spektralbereiche 7, 8, 9 möglich ist, deren Teilstrahlen schließlich zu den Detektoren 12, 10, 11 gelangen.
Durch die Aufspaltung des einfallenden aufgefächerten Strahls 17 bzw. 5 aus der Dispersionsebene 6 heraus ist es möglich, die Spaltblendenbacken 23 hinreichend genau im Fokus des aufgefächerten Strahls 17 bzw. 5 zu plazieren.
Schließlich sei angemerkt, daß der einfacheren Darstellung wegen in Fig. 3 lediglich zwei der insgesamt vier Aktvatoren 22 dargestellt sind.